基坑支护体系地震灾变特性及结构损伤状态评价方法研究

论文摘要

全球许多国家处于地震多发区域,其中智利、日本、美国与中国处于地震频发区域。全世界每年约发生地震500万次,其中有感地震约5万次,造成严重破坏的地震近20次。仅就中国而言,1900年以来,死于地震的人数达55万之多,占全球地震死亡人数的53%。震灾涉及中国22个省(自治区、直辖市),地震成灾面积达30多万平方公里,房屋倒塌达700万间。1976年唐山大地震造成24.28万人罹难;2008年5月12日汶川大地震造成8.7万人罹难,直接经济损失8451亿元人民币。长期以来,为了有效地预防和减轻地震灾害,世界各国围绕地震发生机理、建筑结构物的抗震理论与技术、次生灾害预防、地震灾后评估与灾区重建等进行过大量研究,取得了大量有理论意义和使用价值的研究成果。但由于种种主客观原因,研究的焦点主要集中于运营阶段建(构)筑物抗振性及其振损评价,而对施工期基坑地震反应及其支护结构抗震性能而言,迄今还少有系统研究。随着城市地铁交通、大型地下商场、超高层建筑等工程建设的迅速发展,大型深基坑工程日益增多,地震频发区深基坑施工技术、施工期的防灾减灾、临时设施及养护期混凝土震损检测与评估等将不可避免地成为包括中国在内的地震频发区域和国家建设的重大理论和技术问题。基坑施工期内,维护和支撑结构(包括土钉墙、锚喷、地下连续墙、钢支撑、钢筋混凝土结构支撑及其他临时支撑等)、施工设施、工程机械及施工设备等由于其自身的设置及性能特点,其地震反应及抗震性能与运营期结构有本质的区别,现有的研究成果难以直接应用于施工期基坑抗震防灾及结构震损分析。本文针对地震频发区基坑施工的关键技术和理论问题,在充分调研的基础上采用数值模拟、室内试验及理论分析等综合研究方法,系统研究了强地震作用下不同形式深基坑抗震稳定性、基坑支护体系地震位移及灾变的时程和空间分布、施工养护期混凝土受强地震后强度损失及其评价、早龄混凝土受强地震作用后内部损伤及其评价等。取得了相应有创新意义和工程实用价值的研究成果:1.通过文献资料的系统查询及对汶川地震灾区的现场调研,统计分析了全球地震分布的区域特征,基于调研统计数据建立了全球性地震发生数的时间累积关系及以中国为例的局部区域地震发生数的时间分布;根据现场调研获得的汶川地震基坑及边坡破坏案例,通过力学机理分析,提出和完善了施工期基坑地震破坏模式及其力学成因。2.结合成都地区深基坑工程实例,通过三维动力FEM模拟计算,研究了锚喷支护基坑、地下连续墙加钢支撑基坑的地震稳定性,系统分析了两类基坑在不同传播方向地震荷载作用下基坑结构位移、钢支撑灾变演化及其鞭梢效应。3.通过基坑支撑结构灾变倒塌过程的三维FEM数值模拟,系统研究了不同传播方向强地震荷载作用下基坑钢支撑灾变过程及破坏形式。揭示了强地震作用下基坑支撑体系倒塌危险的区域性分布特征、支撑破坏过程的阶段性时程特性。即支撑破坏过程分为往复振动时域、振动位移急剧增加时域、结构失稳破坏时域。结果对地震频发区基坑施工过程风险防范设施设置和防灾减灾具有重要指导意义。4.利用模拟地震振动台进行室内试验,系统研究了基坑施工不同龄期混凝土受强地震作用后的变形特性、压缩扩容性质及其动力学机理。结果表明:养护期混凝土受强地震作用后其体积应变具有显著的扩容(体积增大)特性且扩容程度与混凝土受振龄期密切相关;混凝土结构扩容的主要力学成因是强地震作用导致结构内部形成随机分布的微观及细观裂纹在外荷载作用下产生位错、转动等从而形成宏观状态下的体积增大。5.通过受振混凝土变形特性的试验研究,提出了早龄混凝土在强地震作用下裂纹产生与发育的受振龄期三阶段特性:振动强化阶段(养护龄期1~10h,包括混凝土液态及粘性可流动状态);振损但能自修复阶段(养护龄期10~60h,包括半固化状态及固化且弹性模量增长状态);振损不可逆阶段(养护龄期大于60h,主要是最终固化状态)。6.通过室内模拟地震试验,系统研究了不同养护龄期混凝土受强地震作用后的强度损失。结果表明:受振龄期为3~30h的混凝土,其强度显著降低;受振龄期大于30h的混凝土,其强度未见明显变化。7.通过受震混凝土的强度及超声波试验研究,建立了受振混凝土强度与超声波波速的相关关系、提出了强地震后混凝土结构强度现场超声波检测的建议方案及实施方法。8.将三维层析技术应用于地震作用后混凝土结构内部损伤的检测与评价,开发了基于任意三维正交立体交汇色谱分析法用于定点评价混凝土内部结构损伤并开发了相应三维解析软件,为混凝土结构内部损伤状态的可视化评价提供了有效的手段。综上所述,本研究的内容和成果涉及地震频发区基坑施工可能面临的关键理论和技术问题,一定程度上填补了国内外在该领域研究的不足。部分研究成果为成都及都江堰等地灾后重建所采用,为灾后重建基坑施工过程风险防范设计提供了依据并产生了良好的技术与社会效益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 基坑支护设计、计算理论研究现状
• 1.2.2 基坑施工工艺、方法的研究与进展
• 1.2.3 基坑施工过程静力稳定性研究
• 1.2.4 基坑动力稳定性研究现状
• 1.2.5 基坑开挖扰动位移及环境保护研究现状
• 1.3 技术关键及技术路线
• 1.4 论文内容概要
• 第二章 地震区域分布、时频特性及其对基坑工程影响
• 2.1 概述
• 2.2 地震的区域分布特点
• 2.2.1 全球范围地震分布的宏观特点
• 2.2.2 中国地震分布特点
• 2.3 地震发生的时频特性
• 2.3.1 地震发生数量的时域分布
• 2.3.2 地震发生数的时间统计关系
• 2.4 基于调研结果的基坑地震损伤分析
• 2.4.1 调研区域基坑开挖及常用支护方式
• 2.4.2 基坑与地质边坡的相似特性及其抗震稳定性分析
• 2.5 基坑类工程地震破坏形式及其力学机理概要分析
• 2.5.1 地基及基础地震灾害状态概要
• 2.5.2 边坡地震作用实例及其破坏形式
• 2.5.3 施工期基坑地震破坏机理的概念化分析
• 2.6 小结
• 第三章 不同支护方式基坑耐震特性FEM 模拟分析
• 3.1 概述
• 3.2 基坑地震反应分析FEM 原理及其数值方法
• 3.2.1 FEM 原理
• 3.2.2 动力FEM 数值方法及其求解过程
• 3.2.3 结构倒塌过程数值模拟方法
• 3.3 基坑工程特性及其数值模型
• 3.3.1 区域地质及构造特征
• 3.3.2 基坑结构形式
• 3.3.3 FEM 数值模型
• 3.4 计算参数选取及数值模拟方法
• 3.4.1 单元选择
• 3.4.2 材料参数选取
• 3.4.3 地震加速度谱
• 3.5 计算结果比较分析
• 3.6 小结
• 第四章 基坑支护体系稳定性、失稳形式及灾变过程
• 4.1 概述
• 4.2 计算方案与参数选取
• 4.2.1 单元选择
• 4.2.2 材料参数选取
• 4.2.3 地震加速度谱
• 4.3 地震波传播方向影响
• 4.3.1 锚杆支护基坑对地震波方向的敏感性
• 4.3.2 地下连续墙加钢支撑基坑对地震波方向的敏感性
• 4.3.3 两种支护方式地震稳定性比较
• 4.4 最大（最危险）位移发生区域
• 4.4.1 基坑支护结构动态位移
• 4.4.2 基坑支护结构特征点位移时程特性
• 4.5 结构倒塌灾变的区域性及其时程特性
• 4.5.1 钢支撑结构倒塌灾变过程
• 4.5.2 支护结构体系灾变破坏的空间分布特性
• 4.5.3 节点破坏及其动态分布
• 4.6 破坏形式及其力学机理概要分析
• 4.7 小结
• 第五章 养护期内混凝土地震响应及其后期强度劣化特性
• 5.1 概述
• 5.2 试验方案
• 5.3 试样制作及地震作用模拟
• 5.3.1 第一批次试样及其地震作用
• 5.3.2 第二批次试样及其地震作用
• 5.3.3 地震作用模拟
• 5.4 强地震作用模拟及地震波的选取
• 5.5 仪器设备及试验方法
• 5.5.1 仪器设备
• 5.5.2 试验方法
• 5.6 试验结果及分析
• 5.6.1 强地震作用对养护期混凝土变形特性的影响
• 5.6.2 强地震作用下混凝土强度损失特性
• 5.7 小结
• 第六章 混凝土结构地震损伤及强度劣化无损检测与评价
• 6.1 概述
• 6.1.1 强地震作用下养护期混凝土结构损伤特征
• 6.1.2 无损检测方法发展及国内外研究现状
• 6.1.3 超声波在混凝土无损检测中的进展
• 6.2 混凝土强度及内部损伤状态超声波检测原理与方法
• 6.3 地震作用下养护期混凝土强度劣化无损检测与评价
• 6.3.1 养护期混凝土受强地震作用后强度—声波关系模拟试验研究
• 6.3.2 强震后混凝土结构强度现场检测与评价
• 6.4 地震作用后混凝土内部损伤超声波探测与评价
• 6.5 小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文
• 攻读博士学位期间参与的科研项目
• 附件